棉/不銹鋼長絲機織物的電磁屏蔽及折皺回復性能

段永潔， 謝春萍， 劉新金，2

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122；2. 江蘇蘇絲絲綢股份有限公司， 江蘇 宿遷 223700)

棉/不銹鋼長絲機織物的電磁屏蔽及折皺回復性能

段永潔1， 謝春萍1， 劉新金1，2

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122；2. 江蘇蘇絲絲綢股份有限公司， 江蘇 宿遷 223700)

為研究組織結構與磨損對織物屏蔽性能的影響，以及不銹鋼長絲對織物折皺回復性的影響，使用自制的棉/不銹鋼長絲包芯紗織制了3種不同組織的機織物，測試了織物在0.3～1 500 MHz頻段上的電磁屏蔽性能，并使用平磨儀對各織物分別摩擦60、120、180、240及300次后，測試了織物磨損后的電磁屏蔽性能；同時，采用視頻序列法測試了織物的動態折皺回復角。結果表明：織物組織結構對電磁屏蔽性能有一定影響，平紋組織結構緊密，屏蔽效果好；經過若干次磨損后，織物的電磁屏蔽性能先小幅升高后逐漸降低；相同磨損條件下，試樣耐磨性越好，屏蔽效能的降低幅度越小；由于不銹鋼長絲的加入使織物的折皺回復性降低，可以采用浮長更長的組織改善織物起皺現象。

不銹鋼長絲； 電磁屏蔽； 織物組織； 織物磨損； 折皺回復

近年來，電磁屏蔽織物的發展受到了人們的廣泛關注，民用電磁屏蔽織物的需求量逐年攀升，已逐漸成為功能性紡織品領域的一個細分市場。對于一般性民用電磁屏蔽紡織品，其性能要求相對不高，在30～3 000 MHz頻段范圍內的屏蔽性能只需達到10～20 dB即可滿足使用要求[1]，市場前景可觀，值得深入研究。相比于化學鍍[2]、表面導電高分子涂層[3]等方法，使用金屬纖維或金屬化纖維與常規紡織纖維進行混紡、交織、包芯、非織造的方法，可以制備較為廉價且具有電磁屏蔽功能的紡織品[4]。

在紗線的制備方面，并線的加工工藝較為簡單，在改造后的細紗機上將不同粗細的銅絲、不銹鋼絲與棉紗并線后其斷裂伸長及毛羽均有所下降，可以應用于電磁屏蔽、抗靜電、導電紡織品等領域[5]。除此之外，將短切金屬纖維與常用紡織纖維進行混紡[6]或將金屬長絲與化纖長絲結合制成復合紗[7]，也可賦予紡織品電磁屏蔽性能。對于該類紡織品，金屬纖維的種類、分布形態、直徑、用量、含金屬纖維紗線的排列間距及方式、織物結構等參數，是影響織物屏蔽效能的重要因素。對于機織物來說，在其他條件相同的情況下，含金屬紗線排列間距越大，織物電磁屏蔽性能越低[8]，但是在紗線中加入金屬纖維后，往往會對織物的服用性能產生一定影響。

為了探究織物組織結構對織物電磁屏蔽效能的影響，織制了經緯密相差不大且具有不同組織結構的織物并比較其屏蔽效能；之后分別對其進行摩擦實驗，探究屏蔽性能的變化規律。為了明確金屬絲對織物折皺回復性的影響，采用視頻序列法測試織物的動態折皺回復角，比較不同組織結構織物的折皺回復性能。

1 實驗部分

1.1 不銹鋼長絲的選用

316L型奧氏體不銹鋼絲含碳量低，且含少量鉬元素，因此，具有更高的耐腐蝕性，普通的生活沾污不能對紗線中的不銹鋼絲造成腐蝕破壞，延長了織物的使用壽命。不銹鋼長絲的斷裂伸長率隨著直徑的減小而大幅降低，低斷裂伸長率的不銹鋼長絲在前羅拉鉗口處極易發生斷頭。根據預實驗的結果，在保持一定生產效率的前提下，宜采用直徑大于30 μm的不銹鋼長絲紡制賽絡包芯紗。綜上考慮，本文選用直徑為35 μm的316L型不銹鋼長絲(上海普盛金銀絲紡織品有限公司)及純棉粗紗為原料紡制賽絡包芯紗。不銹鋼長絲的最大抗拉強度為700 mPa；純棉粗紗定量為5.0 g/10 m。

1.2 紗線紡制及織物織造

經工藝計算后，在改造過的QFA1528型細紗機(無錫第七紡織機械有限公司)上采用賽絡紡的工藝方式紡制棉/不銹鋼長絲包芯紗，包芯紗線密度為38.5 tex。在細紗機上將2根純棉粗紗條穿過雙喇叭口平行喂入牽伸區，然后將不銹鋼長絲經由張力裝置和導絲輪喂入牽伸區，在前鉗口處同粗紗匯合，進行紡紗。考慮到不銹鋼長絲的剛性較大，若軸向退繞會使其產生脫圈問題，故采用徑向退繞、消極喂入方式進行紡紗。紗線捻系數為320。

紗線結構是紗線性能的基礎要素，對織物的后道加工有十分重要的影響。在強光源下用光學顯微鏡觀察包芯紗線，結果如圖1所示。處于紗線中部的黑色長絲即為不銹鋼長絲，周圍包覆棉纖維，不銹鋼長絲無螺旋、彎折、露芯現象，且位于紗線中央，包芯效果良好。位于紗線中心的不銹鋼長絲不會影響紗線的染色性能，便于面料的后續加工。

圖1 包芯紗的顯微圖(×40)

使用YG068C型全自動單紗強力儀及YG173A型紗線毛羽測試儀(蘇州長風紡織機電有限公司)測試紗線的力學性能及毛羽情況。測得紗線的平均斷裂強度為15.41 cN/tex，斷裂伸長率為5.98%；毛羽值H為6.16，長度為3 mm以內的毛羽數量較少。紗線的各項基本性能良好，均能達到織造的要求，為后道加工提供了較好的基礎。

使用自制的棉/不銹鋼長絲賽絡包芯紗線為經緯紗，在全自動劍桿小樣織機上織造3種棉/不銹鋼長絲包芯紗織物。采用統一的經緯紗排列及織機工藝參數，分別織制平紋織物、一上二下斜紋織物、一上三下斜紋織物；另外織制一純棉平紋織物，其經緯紗為相同線密度的純棉賽絡紡紗線。

使用YG141D型織物厚度儀(寧波紡織儀器廠)對試樣進行織物厚度測試，并用經緯密度鏡測量織物的下機經緯密，每種織物在不同位置測試10次，取平均值。織物表面電阻測試：采用ACL380型手持式表面電阻測試儀(美國ACL Staticide公司)對織物進行表面電阻測試，每塊測試樣在不同位置測試10次取平均值。試樣的基本參數見表1。

表1 織物的基本參數

1.3 測試方法

為確保實驗數據的準確性及可比性，試樣均在標準狀態(溫度為20 ℃，相對濕度為65%)下平衡24 h進行測試。

屏蔽效能測試：采用法蘭同軸測試法，測試設備為Agilent E5061A型矢量網絡分析儀(美國安捷倫科技有限公司)、10 dB衰減器。測試依據ASTM D4935—2010《平面材料電磁屏蔽效能測試標準》進行，測試波段頻率為0.3～1 500 MHz，涵蓋了中頻到特高頻的頻段，取樣點200個。為方便表述，屏蔽效能均已取絕對值。為了提高測試數據的準確性，對每種織物分別間隔10 cm在不同位置取5個試樣，每個試樣均進行2次測試，共得到10次測量結果，將10次測量結果取平均值后得到不同試樣的屏蔽效能，最后用平均值繪制出不同織物的屏蔽效能曲線。

織物磨損測試：通過磨損實驗模擬織物在穿著使用過程中的磨損現象，探究織物受到一定磨損后電磁屏蔽性能的變化情況。使用YG401E型織物平磨儀(泉州市美邦儀器有限公司)對試樣進行磨損實驗，分別對原樣、磨損60、120、180、240、300次后的試樣進行電磁屏蔽性能測試。

顯微鏡觀測：使用VW-6000動態分析三維顯微系統(基恩士(中國)有限公司)觀察紗線及織物，放大倍數為100。

折皺回復性測試：采用視頻序列法(基于視頻序列的測試方法)對織物的折皺回復角進行動態測量，測試依據AATCC66—2008《機織物折皺回復 回復角法》進行。張月等[9]通過實驗對比驗證了視頻序列法測試結果具有很好的可重復性，所得結果與SDL-M003A折皺回復角測試儀所測結果最大差值不超過4°，說明視頻序列法的測試結果準確可信。

該方法借助Basler工業相機及圖像處理技術在織物折皺回復過程中對織物進行時長5 min的連續拍照檢測，然后運用MatLab軟件對采集到的視頻數據進行二值化數學處理，換算并輸出相應的折皺回復角度隨時間的變化過程，測試系統原理圖見圖2。織物試樣大小為40 mm×15 mm，其中經、緯向正反各5個，測試結果取平均值。

圖2 視頻序列法測試系統

2 結果與討論

2.1 織物的電磁屏蔽性能

根據電磁波頻率的不同，可將其分為若干頻段，常規電器所產生的電磁波輻射頻段多集中在中頻和高頻段，即0.3～30 MHz。無線通信、廣播、短波通信等多集中在甚高頻和特高頻段，即30～3 000 MHz。本文圍繞日常使用時可能經常接觸到的0.3～1 500 MHz頻段進行測試。

圖3示出包芯紗織物最小結構單元的等效電路。其中電阻R為經緯紗的接觸電阻，電容C為平行不銹鋼長絲產生的電容[8]。根據金屬絲網屏蔽理論，織物的屏蔽效能主要由金屬絲間的距離、金屬絲直經、金屬絲單位長度的電阻和電抗決定。從等效電路中可以看出，在金屬絲直徑相同的情況下，紗線交織點的接觸電阻R是影響屏蔽效能的重要因素之一。

圖3 織物結構單元等效電路

圖4示出不同組織結構織物的屏蔽效能平均值曲線。可以看出，隨著平面波頻率的變化，織物的屏蔽效能會發生明顯改變，但3種織物的最小屏蔽效能均能達到10 dB以上，可滿足日常生活中的屏蔽要求。總體上說，隨著織物浮長長度的增加，其屏蔽效能逐漸降低。在3種結構的織物中，平紋織物的屏蔽效能最高。這主要有3方面的原因。

圖5 不同磨損次數織物的屏蔽效能

圖4 不同組織結構織物的屏蔽效能平均值曲線

首先，當電磁波照射到織物上時，由于不銹鋼金屬的阻抗與空氣阻抗不匹配，導致電磁波在不銹鋼長絲表面發生反射，然后進入金屬絲內部經過多次反射與吸收逐漸衰減[10]。除此之外還有部分電磁波會通過紗線間的孔洞直接穿過織物。織物緊度大，透過紗線間孔洞穿入的電磁波減少，這使得不同緊度的織物電磁屏蔽性能有所區別。由于采用相同的上機參數，下機后3種織物會產生不同的收縮。平紋織物和一上二下斜紋織物的緊度分別比一上三下斜紋織物高1.72%和0.87%，使得二者的屏蔽效能相比于一上三下斜紋織物有不同程度的提高。

其次，由于平紋織物交織點多、浮長短，經緯紗交織更加緊密，紗線間接觸電阻要小于其他種類織物，使得平紋織物的電磁屏蔽性能更好[11]。

除此之外，織物單位長度內的經緯紗交織次數越多，紗線屈曲程度增大，彎曲次數增加，導致其實際長度有所增加。3種織物中，平紋織物的交織點最多，紗線屈曲程度最高，實際長度最長，所以其單位面積內所含金屬長絲總量稍多，屏蔽效能最高。

2.2 織物磨損對屏蔽效能的影響

圖5示出不同磨損次數織物的屏蔽性能。可以看出，在經過60次磨損后，織物的屏蔽效能稍有提高，這可能是因為摩擦時的擠壓作用使得經緯紗線間貼合更加緊密，紗線交織點處接觸電阻減小，當磨損程度繼續增加，屏蔽效能整體下降。圖6示出試樣A2不同磨損程度的光學顯微鏡照片。可以看出：磨損180次時，棉織物起毛比較嚴重；磨損240次時，表層起毛部分被磨掉，部分紗線已被破壞；磨損300次后，外層紗線均已破壞。其中的部分金屬絲已經被磨斷，織物的部分位置形成松散的破洞，但內層紗線仍能保持一定完整性，使得整個織物仍具有一定電磁屏蔽效果。

圖6 試樣A2不同磨損程度的光學顯微鏡照片(×100)

在本文制備的3種不同結構的織物中，平紋織物的結構最緊密，受到平磨磨損后保持了相對較為完整的結構，由圖5(a)可以看出其受到摩擦磨損后屏蔽效能整體下降較少。而一上三下斜紋織物的浮長最長，紗線更容易受到摩擦破壞，從而容易發生紗線斷裂、破洞等情況，由圖5(c)可以看出其在經過300次摩擦測試后屏蔽效能降幅最大。

圖7 不同織物的動態折皺回復角

2.3 織物的折皺回復性

由于不銹鋼金屬絲的加入，棉/不銹鋼長絲包芯紗織物的折皺回復性相比于純棉織物會有很大變化。不同織物試樣的動態折皺回復角與時間的關系曲線如圖7所示。

從圖7可見，隨著時間的延長，試樣的折皺回復角均先迅速增加，之后回復速度逐漸減小，最終趨于平緩。由于織物原料、組織及折疊的方向不同，折皺回復角曲線有所區別。

加入不銹鋼長絲后，織物的折皺回復性大大降低，平紋織物的折皺回復角從80°下降到30°左右。這是因為不銹鋼長絲相比紡織纖維具有較高塑性，其在經過較大形變后并不能完全回復到平直狀態，導致其在紗體中保持彎曲，織物的折皺回復性降低。

平紋組織交織點最多，紗線不能有效滑移，紗體中金屬絲彎曲程度加大，使折皺回復性更差。當采用一上三下斜紋組織時，折皺回復角有所提高，這是因為織物的浮長線越長，折疊彎曲時會具有較大的滑移變形空間，金屬絲的彎曲變形減小，折皺回復性提高。較低的折皺回復性使得含有不銹鋼長絲的織物在使用過程中更容易起皺，不易恢復。為了更好保持織物的平整外觀，應選用浮長更長、柔性更好的組織，使織物的折皺回復性提高，起皺狀況得到改善。

3 結 論

1) 織物組織結構對于棉/不銹鋼長絲包芯織物的電磁屏蔽性能有一定影響。在相同的織造工藝參數下，平紋織物下機后緊度最大，交織點多，紗線間接觸電阻小，織物單位長度內所含不銹鋼長絲最多，屏蔽效果好。

2) 經過若干次磨損后，織物的電磁屏蔽性能先小幅升高后逐漸降低，這是因為磨損時的擠壓作用會使經緯紗接觸更為緊密，紗線間的接觸電阻減小，屏蔽效能提高。當磨損程度繼續增加，部分織物遭到破壞，織物出現破洞，不銹鋼絲發生斷裂，屏蔽性能降低。織物耐磨性越差，在相同摩擦條件下結構破壞程度越高，摩擦磨損后屏蔽效能下降越多。

3) 由于不銹鋼長絲的加入，使得棉/不銹鋼長絲包芯織物的折皺回復性降低，導致該類織物在使用過程中更易出現起皺的現象。為了更好保持織物的平整外觀，應選用浮長更長、柔性更好的組織，使織物的折皺回復性提高，起皺狀況得到改善。

FZXB

[1] 王飛龍. 金屬混紡織物設計與屏蔽性能影響因素分析[J].產業用紡織品, 2015(1): 34-37. WANG Feilong. Design of metal blended fabricpoints and the influence factors of shielding performance analysis [J]. Technical Textiles, 2015(1): 34-37.

[2] HAN E G, KIM E A, OH K W. Electromagnetic interference shielding effectiveness of electrons Cu-plated pet fabrics[J]. Synthetic Metals, 2001, 123(3): 469-476.

[3] AKSIT A C, ONAR N, EBEOGLUGIL M F, et al. Electromagnetic and electrical properties of coated cotton fabric with barium ferrite doped polyaniline film[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2009, 113(1): 358-366.

[4] 肖紅, 施楣梧. 電磁紡織品研究進展[J].紡織學報, 2014, 35(1): 151-157. XIAO Hong, SHI Meiwu. Research progress on electromagnetic textiles [J]. Journal of Textile Research, 2014, 35(1): 151-157.

[5] BEDELOGLU A, SUNTER N, BOZKURT Y. Manufacturing and properties of yarns containing metal wires[J]. Materials and Manufacturing Processes,2011, 26(11): 1378-1382.

[6] DAS A, KRISHNASAMY J, ALAGIRUSAMY R. Analysis of the electromagnetic shielding behavior of stainless steel filament and PET/SS hybrid yarn incorporated conductive woven fabrics [J]. Fibers and Polymers, 2014, 15(11): 2423-2427.

[7] 程嵐, 薛雯, 張同華. 不銹鋼纖維/棉復合紗的開發及其性能[J].紡織學報, 2014, 35(7): 36-41. CHENG Lan, XUE Wen, ZHANG Tonghua. Development of stainless steel fiber/cotton composite yarn and its performances [J]. Journal of Textile Research, 2014, 35(7): 36-41.

[8] 肖紅,唐章宏,王群,等. 電磁屏蔽織物的導電網格結構及其屏蔽效能的一般影響規律研究[J]. 紡織學報, 2015, 36(2): 35-42. XIAO Hong, TANG Zhanghong, WANG Qun, et al. Research on conductive grid structure and general influence factors to shielding effectiveness of electromagnetic shielding fabrics [J]. Journal of Textile Research, 2015, 36(2): 35-42.

[9] 張月, 王蕾, 劉建立, 等. 織物折皺回復角測試方法比較[J]. 紡織學報, 2015, 36(1): 60-63. ZHANG Yue, WANG Lei, LIU Jianli, et al. Comparison of test methods for fabric wrinkle recovery angle [J]. Journal of Textile Research, 2015, 36(1): 60-63.

[10] DAS A, KRISHNASAMY J, ALAGIRUSAMY R. Analysis of the electromagnetic shielding behavior of stainless steel filament and PET/SS hybrid yarn incorporated conductive woven fabrics [J]. Fibers and Polymers, 2014,15(11): 2423-2427.

[11] RAJENDRAKUMAR K, THILAGAVATHI G. Electromagnetic shielding effectiveness of copper/PET composite yarn fabrics[J]. Indian Journal of Fiber & Textile Research, 2012,37(2):133-137.

Electromagnetic shielding and wrinkle recovery property of cotton/stainless steel filament woven fabric

DUAN Yongjie1， XIE Chunping1， LIU Xinjin1，2

(1.KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China； 2.JiangsuSpcc-SilkCo.,Ltd.,Suqian,Jiangsu223700,China)

In order to study the influence of fabric structure and fabric abrasion on the shielding performance, and the influence of stainless steel filament on the fabric wrinkle recovery, cotton/stainless steel filament core spun yarns were used as materials to weave three kinds of fabrics. The electromagnetic shielding properties in 0.3-1 500 MHz are compared. After the wear tests for 60, 120, 180, 240 and 300 times on the textile abrasion tester, the electromagnetic shielding properties are also tested and compared. The wrinkle recovery properties are tested by video sequence method. Results show that the fabric weaves have some effects on the electromagnetic shielding property. Because of the compact structure, plain fabric has better electromagnetic shielding property. Through several times of friction, the electromagnetic shielding property has a small increase, and then decreased gradually. Under the same wear condition, samples with better wearing resistance property will show a lower reduction degree of the shielding effectiveness. Because of the stainless steel filament, the wrinkle recovery properties of fabrics are reduced. The fabric weaves with longer float could improve the wrinkle performance.

stainless steel filament; electromagnetic shielding; fabric weave; fabric abrasion; wrinkle recovery

10.13475/j.fzxb.20150801506

2015-08-07

2016-04-25

江蘇省自然科學基金資助項目(BK2012254)；江蘇省產學研項目(BY2014023,BY2012051,BY2013015-24);江蘇省科技成果轉化項目(BA2014080)；紡織服裝產業河南省協同創新項目(hnfx14002)；廣東省產學研項目(2013B090600038)

段永潔(1991—)，女，碩士生。研究方向為功能性混紡紗線。謝春萍，通信作者，E-mail：wxxchp@vip.163.com。

TS 106.4

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